- •Должны знать:
- •Должны уметь:
- •Обязательная литература Дополнительная литература
- •Раздел 1 основы металловедения
- •Тема 1.1 Основные сведения о металлах и сплавах
- •Физические свойства некоторых металлов
- •Тема 1.2 Сплав железа с углеродом
- •Тема 1.3 Основы термической и химико-термической обработки металлов. Коррозии
- •Раздел 2 Проводниковые материалы
- •Тема 2.1 Физические процессы в проводниках
- •Температурная зависимость удельного сопротивления металлических проводников
- •Тема 2.2 Материалы высокой проводимости
- •Тема 2.3 Материалы высокого электрического сопротивления
- •Тема 2.4 Неметаллические проводниковые металлы
- •Композиционные проводящие материалы
- •Раздел 3 Диэлектрические материалы
- •Тема 3.1 Физика диэлектриков
- •Тема 3.2 Характеристики диэлектриков
- •Тема 3.3 Газообразные диэлектрики
Раздел 2 Проводниковые материалы
Хотя, как известно, электроэнергия передается не по проводникам, а по диэлектрическому пространству между проводниками, тем не менее, проводники необходимы для направления потоков этой энергии.
профессор, д.ф.м.н. Коробейников С.М.
Тема 2.1 Физические процессы в проводниках
Зонная теория твёрдого тела
Проводимость твёрдых тел в первую очередь определяется электронным строением атомов. При этом энергетические уровни отдельных атомов образуют энергетические зоны: самая верхняя из заполненных зон называется валентной, ближайшая к ней незаполненная электронами – зона проводимости. Плотность заполнения электронами зон и их перекрытие определяют электропроводность твёрдых тел.
Энергетические диаграммы
Согласно зонной теории твёрдого тела следует:
1) проводниками являются материалы, у которых валентная и зона проводимости перекрываются, что обеспечивает высокую электропроводность.
2) полупроводники – это материалы с узкой запрещенной зоной, которая может быть преодолена электронами за счёт внешних энергетических воздействий (температура, электрического поля, электромагнитного излучения).
3) диэлектрики – материалы с широкой запрещенной зоной, не позволяющая покидать валентную зону, что и определяется наличием примесей с энергетическими уровнями внутри запрещенной зоны.
Среди твердых проводниковых материалов наиболее часто применяются металлы. Концентрации свободных электронов в чистых металлах различаются незначительно. Поэтому их проводимость в основном определяется средней длиной свободного пробега электронов, которая, в свою очередь, зависит от строения проводника, т.е. химической природы атомов и типа кристаллической решетки. Основным параметром проводниковых материалов является удельное сопротивление.
Удельное сопротивление проводника с сопротивлением R, сечением S и длиной l определяется по формуле:
с. 14 книги: (Ом.м)
Удельное сопротивление металлов, применяемых в электротехнике (при t=20ºC)
Металл |
, мкОм·м |
Металл |
, мкОм·м |
Алюминий |
0,028 |
Олово |
0,12 |
Висмут (при t=0ºC) |
1,065 |
Платина |
0,105 |
Вольфрам |
0,055 |
Рений |
0,21 |
Железо |
0,098 |
Ртуть |
0,958 |
Золото |
0,024 |
Свинец |
0,205 |
Индий |
0,09 |
Серебро |
0,016 |
Кадмий |
0,076 |
Тантал |
0,135 |
Кобальт |
0,062 |
Титан |
0,42 |
Медь |
0,0172 |
Хром |
0,14 |
Молибден |
0,057 |
Цинк |
0,059 |
Никель |
0,973 |
Цирконий |
0,41 |
Ниобий |
0,18 |
|
|
Температурная зависимость удельного сопротивления металлических проводников
В чистых металлах правильной структуры причиной, ограничивающей длину свободного пробега электронов, является тепловое колебание атомов кристаллической решетки. С ростом температуры увеличивается амплитуда тепловых колебаний атомов, что усиливает рассеяние электронов и вызывает возрастание удельного сопротивления. У чистых металлов при нагревании на 100º электросопротивление увеличивается на 45-50%. У сплавов оно увеличивается меньше.
У ряда металлов при очень низкой температуре Tсв наступает состояние сверхпроводимости. При переходе из твердого состояния в жидкое у большинства металлов наблюдается увеличение удельного сопротивления в 1,5-2 раза.
Рисунок 3 – График зависимости удельного сопротивления металлических проводников от температуры
В области линейной зависимости удельного сопротивления от температуры справедливо выражение
,
где и – удельное сопротивление, и температурный коэффициент удельного сопротивления при нормальной температуре (t=20ºC);
– удельное сопротивление при температуре T.
Задача 1
Проволока диаметром 4 мм и длиной 1000 м имеет при нормальной температуре сопротивление 2,25 Ом. Определите, из какого материала она изготовлена, и какое сопротивление она будет иметь при 150ºC.
Дано d=4 мм l=1000 м R=2,25 Ом T0=20ºC T=150ºC |
Решение Определяем удельное сопротивление металлической проволоки
Рассчитанное сопротивление имеет алюминий. Температурный коэффициент алюминия Находим удельное сопротивление для заданной температуры
|
-? R-? |
Влияние примесей и дефектов на удельное сопротивление
Причинами уменьшения проводимости металлов являются не только тепловые колебания, но и дефекты структуры кристаллов. Наибольшее рассеяние электронов происходит на примесях, которые всегда присутствуют в проводнике в виде загрязнения или легирующих элементов.
Кроме того, удельное сопротивление повышают собственные дефекты структуры – вакансии, атомы внедрения, дислокации. При деформации металл происходит искажение кристаллической решетки, что также приводит к увеличению сопротивления.
В качестве термостабильных проводниковых материалов используются сплавы, в которых удельное сопротивление определяется в основном неоднородностью структуры и в меньшей – тепловыми колебаниями.
Увеличение сопротивление также проявляется при получении металлических пленок, используемых в микроэлектроники в качестве межэлементных соединений, контактных площадок, обкладок конденсаторов и д.р. Причинами этого являются изменение структуры при осаждении пленок и размерный эффект (возрастание роли поверхностных процессов над объемными).
Контактные явления
А
Б
+
+
–
–
возникает разность потенциалов. Это объясняется разными уровнями
энергии электронов, т.е. различной работой выхода. Поэтому при
контактировании металлов происходит переход электронов из области
с большим значением энергии в область, где эта энергия меньше. В результате металл А заряжается положительно, а металл Б – отрицательно. Возникающая контактная разность потенциалов составляет от десятых долей до нескольких вольт.
Обычно электрический потенциал контакта не влияет на прохождение электрического тока.
Контактные явления используются для создания термопар.
Классификация проводниковых материалов:
По агрегатному состоянию
Твердые проводники – в основном металлы и металлические сплавы.
Жидкие проводники – электролиты и расплавленные металлы. При нормальной температуре в качестве жидкого проводника может быть применена ртуть (-39 ºС) и галлий (29,8 ºС).
Газы и пары при низких напряженностях электрического поля не являются проводниками, однако если напряженность поля выше некоторой критической, газ становится проводниковым, обладающим электронной и ионной электропроводностью. Сильно ионизированный газ представляет собой особую проводящую среду, называемую плазмой.
По величине проводимости
материалы высокой проводимости;
материалы высокого электрического сопротивления;
сверхпроводящие материалы.
По химическому составу
чистые металлы;
сплавы (высокого сопротивления, для термопар, припои);
неметаллические материалы;
контактные материалы.